第4章逆变电路分析与实践

本章学习目标 知识目标 技能目标 了解单相有源逆变的基本电路结构与工作原理 熟悉有源逆变产生的条件 熟悉逆变失败的原因和最小逆变角定义 掌握如何消除逆变失败方法以及最小逆变角的计算公式 熟悉无源逆变基本结构与工作原理 掌握逆变电路中换相方式类型及要求 了解半桥逆变电路和全桥逆变电路结构与工作原理 并熟悉半桥和全桥逆变电路输出特性及电压 电流波形 熟悉电压型和电流型逆变器基本结构与工作原理 掌握三相电压型桥式逆变器工作波形 能利用万用表和示波器完成对半桥逆变电路的数据测试 能根据实验给定条件和相关设备实现对单相桥式有源逆变电路的特性检验与相应数据测试 能独立设计 制作并调试三相半波有源逆变电路 同时根据设计要求完成相关实验数据的测试与记录 第4章逆变电路分析与实践 第4章逆变电路分析与实践 1 逆变 直流电转换为交流电2 无源逆变 将直流电能变为交流能并且输出至负载 3 有源逆变 将直流电能变为交流电能并且输出给交流电网 4 变流器 既能工作在整流状态又可以工作在逆变状态的装置 5 换流 换相 变流电路中电流从一个支路向另一个支路的转移 逆变的概念 一 有源逆变的工作原理 1 电源之间的能量转换方式有三种 电源同极性时 设 电流I从Ud流向E a 电源同极性相连 4 1晶闸管的有源逆变工作状态 1 两电源同极性相连 2 两电源反相后同极性相连 当 电流方向不变 功率反送 b 电源反相同极性连接 3 电源反极性连接时 形成很大的电流 结论 1 电流从电源正极端流出者为输出功率 电流从电源正极流入者为吸收功率 2 两个电源同极性相连时 电流总是从电动势高的电源流向电动势低的电源 电流大小取决于两电源间的回路电阻 回路电阻小 会产生足够大的电流 使两电源间交换很大的功率 3 两电源顺极性相连时 电动势数值相加 回路电阻若小 会形成短路 4 1晶闸管的有源逆变工作状态 c 反极性相连 二 有源逆变产生的条件 电路构成 两组单相全控桥式电路 由开关Q控制与直流电动机负载连接 a 单相桥式晶闸管相控电路 4 1晶闸管的有源逆变工作状态 工作过程分析 1 当Q掷向 1 时 若I组晶闸管的触发延迟角 1 900 电路整流输出波形如图所示 输出平均电压Ud1上正下负 电动机作电动运行 流过电枢的电流为i1 电动机的反电动势E上正下负 交流电源输出功率 电动机吸收功率 4 1晶闸管的有源逆变工作状态 工作过程分析 2 当开关Q掷向 2 时 在惯性的作用下 电动机的电动势E不变 仍为上正下负 同时给II组晶闸管加触发脉冲 使 2 900 输出电压Ud2为下正上负 且使 产生电流i2 此时电动机供出能量 运行在发电制动状态 4 1晶闸管的有源逆变工作状态 单相全控桥电路工作在逆变时的输出 定义 逆变角 4 1晶闸管的有源逆变工作状态 注意 对于半控桥式晶闸管电路或直流侧并接续流二极管的电路 由于不可能输出负电压 所以不能实现有源逆变 实现有源逆变的条件 1 变流装置的直流侧必须外接有电压极性与晶闸管导通方向一致的直流电源E 且E的数值要大于Ud 2 变流器必须工作在 900 900 区间 使Ud 0 才能将直流功率逆变为交流功率返送电网 3 为了保证变流装置回路中的电流连续 逆变电路中要接大电抗 4 1晶闸管的有源逆变工作状态 三 逆变失败与最小逆变角限制 1 什么叫逆变失败 在有源逆变中 若出现直流电压平均值Ud与直流电源E顺极性串联 将会形成很大的短路电流给晶闸管和负载造成过载 产生事故 三 逆变失败与最小逆变角限制 4 1晶闸管的有源逆变工作状态 2 逆变失败的原因 1 触发电路工作不可靠 不能适时 准确地给各晶闸管分配触发脉冲 如脉冲丢失 脉冲延时等 2 晶闸管发生故障 器件失去阻断能力 或器件不能导通 3 交流电源异常 在逆变工作时 电源发生缺相或突然消失而造成逆变失败 4 换相时间不足 引起换相失败 应考虑变压器漏抗引起的换相重叠角 晶闸管关断时间等因素的影响 1 最小逆变角 min的限制 min 0 4 1晶闸管的有源逆变工作状态 3 最小逆变角的限制 晶闸管关断电角度 40 50 换相重叠角 150 250 安全裕量角 0 100 一般最小逆变角 min 300 350 2 为防止逆变失败必须保证 min 3 逆变角的有效取值范围300 350 900 1 三相全控桥有源逆变电路及原理 4 1晶闸管的有源逆变工作状态 四 有源逆变应用电路 VT1VT6 VT1VT2 VT3VT2 VT3VT4 VT5VT4 VT5VT6 VT1VT6 VT1VT2 4 1晶闸管的有源逆变工作状态 2 三相全控桥有源逆变电路输出电压波形 4 1晶闸管的有源逆变工作状态 3 三相全控桥有源逆变电路VT1的管压波形 4 1晶闸管的有源逆变工作状态 4 三相全控桥有源逆变电路参数计算 1 输出电压的平均值 2 输出电流平均值 900 1800 即00 900 3 输出电流有效值 4 1晶闸管的有源逆变工作状态 4 流过晶闸管的电流平均值 6 流进变压器次级的电流有效值 5 流过晶闸管的电流有效值 4 三相全控桥有源逆变电路参数计算 4 2无源逆变及基本电路 一 逆变器的工作原理 S1 S4是桥式电路的4个臂 由电力电子器件及辅助电路组成 S1 S4闭合 S2 S3断开时 负载电压uo Ud S1 S4断开 S2 S3闭合时 负载电压uo Ud 3 逆变器的换相方式 1 器件换相 利用全控型器件自身所具有的自关断能力进行换相 2 电网换相 由电网提供换相电压称为电网换相 借助于电网电压实现换相 3 负载换相 由负载提供换相电压称为负载换相 4 强迫换相 设置附加的换相电路 给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换相方式称为强迫换相 4 2无源逆变及基本电路 1 负载换相电路及波形 设在t1时刻前VT1 VT4为通态 VT2 VT3为断态 u0 i0均为正 VT2 VT3上施加的电压即为u0 在t1时刻触发VT2 VT3导通 负载电压就通过VT2 VT3分别加到VT4 VTl上 使其承受反向电压而关断 电流从VTl VT4转移到VT3 VT2 触发VT2 VT3的时刻tl必须在u0过零前并留有足够的裕量 才能使换相顺利完成 从VT2 VT3到VT4 VTl的换相过程和上述情况类似 4 2无源逆变及基本电路 注意 负载电压u0波形接近正弦波 t2 2 强迫换相电路 直接耦合式强迫换相 电感耦合式强迫换相 4 2无源逆变及基本电路 当晶闸管VT处于通态时 预先给电容充电 当S合上 就可使VT被施加反压而关断 先使晶闸管电流减为零 然后通过反并联二极管使其加上反向电压 二 基本逆变器电路 1 半桥逆变器电路及原理 4 2无源逆变及基本电路 1 半桥逆变器电路及原理 4 2无源逆变及基本电路 1 半桥逆变器电路及原理 4 2无源逆变及基本电路 1 半桥逆变器电路及原理 4 2无源逆变及基本电路 1 半桥逆变器电路及原理 4 2无源逆变及基本电路 优点 电路简单 使用器件少 缺点 输出交流电压幅值为Ud 2 且直流侧需两电容器串联 要控制两者电压均衡 2 全桥逆变电路及原理 4 2无源逆变及基本电路 2 全桥逆变电路及原理 4 2无源逆变及基本电路 2 全桥逆变电路及原理 4 2无源逆变及基本电路 2 全桥逆变电路及原理 4 2无源逆变及基本电路 2 全桥逆变电路及原理 4 2无源逆变及基本电路 4 2无源逆变及基本电路 全桥逆变电路基本参数关系 即 基波 一次谐波 基波的幅值U01m 基波的有效值U01 一 电压型逆变器 直流侧是电压源的逆变电路称为电压型逆变器 4 2无源逆变及基本电路 三 电压型逆变器与电流型逆变器 1 电压型逆变器直流侧一般接有大电容 直流电压基本无脉动 直流回路呈现低阻抗 相当于电压源 电压型逆变电路的特点 2 输出电压波形为矩形波 与负载阻抗角无关 而输出电流波形及其相位取决于负载 因负载阻抗角的不同而异 3 当交流侧为电感性负载时 需要提供无功功率 直流侧电容起缓冲无功能量的作用 为了给交流侧向直流侧反馈的能量提供通路 各开关管都需要反并联反馈二极管 3 三相电压型桥式逆变电路分析 4 2无源逆变及基本电路 1 每个开关管导电1800 1800导电工作方式 同一相上下两臂交替导电 各相开始导电的角度差120 2 任一瞬间有三个桥臂同时导通 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行 3 每周期有6种工作模式 每种模式工作600 都有三个开关管导通 开关管组合顺序 V5V6V1 V6V1V2 V1V2V3 V2V3V4 V3V4V5 V4V5V6 4 输出线电压为1200宽且幅值Ud的交变方波 输出相电压为六阶梯波 O 二 电流型逆变器 直流侧是电流源型的逆变器称为电流逆变器 电流源型逆变器的主要特点 4 2无源逆变及基本电路 1 直流侧串接有大电感 使直流电流基本无脉动 直流回路呈现高阻抗 相当于电流源 2 输出电流为矩形波 与负载性质无关 而输出电压波形及相位取决于负载 因负载阻抗角不同而异 电感负载时其波形接近正弦波 电流源型逆变器的主要特点 3 直流侧电感起缓冲无功能量的作用 因电流不能反向 故开关器件不必反并联二极管 4 2无源逆变及基本电路 四 脉宽调制 PWM 型逆变电路 4 2无源逆变及基本电路 脉宽调制 PWM 控制技术 PWM控制技术就是利用逆变电路的开关器件的导 断进行控制 使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲 通过对这些脉冲的宽度进行调制以获得所需要的等效电压或电流波形的控制技术 又称为定频调宽控制 脉宽调制 PWM 控制按照输出波形形状分 直流脉宽调制 正弦脉宽脉宽调制 SPWM 四 脉宽调制 PWM 型逆变电路 一 正弦波脉宽调制 SPWM 控制 利用逆变器的开关器件 由控制线路按一定的规律控制开关器件的通断 从而在逆变器的输出端获得一组等幅 即等高 而不等宽的脉冲序列 SPWM波 来等效代替正弦波 4 2无源逆变及基本电路 二 SPWM的基本原理 4 2无源逆变及基本电路 将一个正弦波半波电压分成N等份 并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替 且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合 得到等高不等宽的脉冲列 SPWM波形 正弦波的另外一个半波可以用相同的办法来等效 4 2无源逆变及基本电路 SPWM波形的脉冲宽度是按正弦规律变化 2 SPWM波形的特点 1 幅值相等 即等高 2 宽度不相等 1 矩形波脉冲中点与对应正弦波脉冲中点重合 2 矩形波脉冲面积与对应正弦波脉冲面积相等 1 SPWM波形等效原则 三 调制波ur与载波uC 4 2无源逆变及基本电路 1 调制波ur 被调制的波形 即所希望的输出波形 常用正弦波作为调制波ur 2 载波uC 接受调制的信号波形 常用等腰三角形波作为载波uc 4 2无源逆变及基本电路 三 SPWM的控制方式 1 单极性SPWM控制方式 SPWM波的半个周期内只有一种极性的控制方式 单极性PWM调制方案产生的谐波较小 但是难于实现 4 2无源逆变及基本电路 2 双极性SPWM控制方式 SPWM波的半个周期内有两种极性的控制方式 4 2无源逆变及基本电路 3 单相桥式SPWM主电路及单极性SPWM控制方式工作原理 4 2无源逆变及基本电路 4 单相桥式SPWM主电路及双极性SPWM控制方式工作原理 1 三相桥式PWM型逆变电路其控制方式采用双极性方式 2 U V W三相的PWM控制公用一个三角波载波uC 三相调制信号urU urV urW的相位依